JPH0973997A - Laser thermal plasma method - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 放電によって生成させたガスプラズマ（７）
中に、収束したレーザ（２）を照射し、レーザ（２）と
同軸方向のガス（５）流の空間に、前記プラズマとは独
立したレーザ熱プラズマ（６）を生成させる。
【効果】 極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極
の消耗や放電電極表面への他の元素の堆積によるプラズ
マ状態の変化、表皮効果を回避することが可能となり、
さらには、プラズマの形状および温度分布を自由に制御
することをも可能となる。新材料の創製における材料合
成や加工のプロセスとなる。
(57) [Abstract] [Structure] Gas plasma generated by electric discharge (7)
A converged laser (2) is radiated therein, and a laser thermal plasma (6) independent of the plasma is generated in the space of the gas (5) flow coaxial with the laser (2). [Effect] It becomes possible to avoid mixing of electrode constituent materials into plasma, change in plasma state due to consumption of the discharge electrode and deposition of other elements on the surface of the discharge electrode, and skin effect.
Furthermore, it becomes possible to freely control the shape and temperature distribution of plasma. It will be a process of material synthesis and processing in the creation of new materials.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ熱プラズ
マ方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、材料創製のための反応手段等として有用な、レーザ
熱プラズマの生成とその反応への利用等を可能とする新
しい方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser thermal plasma method. More specifically, the present invention relates to a new method that is useful as a reaction means for creating materials and that enables the generation of laser thermal plasma and its utilization in the reaction.
【０００２】[0002]
【従来の技術とその課題】従来から、材料創製のための
プロセスとして熱プラズマを利用しようとする試みが様
々になされてきている。このプロセスでは、熱プラズマ
が発生させる高温、高荷電粒子密度、大熱容量等の豊富
な活性粒子を材料合成や加工に利用しようとしている。2. Description of the Related Art Conventionally, various attempts have been made to utilize thermal plasma as a process for creating materials. In this process, abundant active particles such as high temperature generated by thermal plasma, high charged particle density, and large heat capacity are used for material synthesis and processing.
【０００３】従来、このような熱プラズマの発生方法と
しては、アーク放電や、高周波放電が用いられてもい
る。しかしながら、アーク放電の場合には、発生したプ
ラズマの両端に陽極および陰極の電極が存在するので、
その両極から極構成材料がプラズマ中に混入し、また、
放電時間の経過とともに、放電電極の消耗や放電電極表
面への他の元素の堆積により、プラズマの状態が変化し
てしまうという問題がある。また、アーク放電において
は、その発生するプラズマの形状は放電電極の構造に大
きく依存しているため、発生するプラズマの形状や温度
分布を自由に制御することが困難であった。Conventionally, arc discharge or high frequency discharge has been used as a method for generating such thermal plasma. However, in the case of arc discharge, since there are anode and cathode electrodes at both ends of the generated plasma,
The electrode material is mixed into the plasma from both electrodes,
There is a problem that the plasma state changes due to exhaustion of the discharge electrode and deposition of other elements on the surface of the discharge electrode as the discharge time elapses. Further, in the arc discharge, the shape of the generated plasma largely depends on the structure of the discharge electrode, so that it is difficult to freely control the shape and temperature distribution of the generated plasma.
【０００４】一方、高周波放電の場合は、アーク放電の
場合のような極構成材料のプラズマ中への混入や、放電
電極の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズ
マ状態の変化といったアーク放電特有の問題点を回避す
ることができるが、高周波放電特有の表皮効果が発生
し、したがって、プラズマの表面で温度がもっとも高
く、プラズマの内部で温度が低いという問題点があっ
た。On the other hand, in the case of high-frequency discharge, arc discharge is caused by mixing of the electrode material with the plasma, as in the case of arc discharge, and the change in plasma state due to consumption of the discharge electrode and deposition of elements on the discharge electrode surface. Although a specific problem can be avoided, a skin effect peculiar to the high frequency discharge occurs, and therefore, there is a problem that the temperature is the highest on the surface of the plasma and the temperature is low inside the plasma.
【０００５】プラズマを用いた材料合成プロセスでは、
プラズマの高温部分で物質を分解し、低温部分で反応合
成を行うことになるため、プラズマの中心部が高温状態
にあり、その周辺のできるだけ広い領域で低温プラズマ
が存在することが望ましい。このような観点からは、高
周波放電を用いる場合、高周波放電特有の表皮効果によ
り、材料合成プロセス等に最適な温度分布のプラズマを
形成することが難しい。In the material synthesis process using plasma,
Since the substance is decomposed in the high temperature portion of the plasma and the reactive synthesis is performed in the low temperature portion, it is desirable that the central portion of the plasma is in a high temperature state and the low temperature plasma exists in the widest possible area around it. From such a viewpoint, when the high frequency discharge is used, it is difficult to form plasma having an optimal temperature distribution for the material synthesis process or the like due to the skin effect peculiar to the high frequency discharge.
【０００６】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来のプラズマ技術についての欠点
を解消し、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極
の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、あるいは表皮効果を回避することが可能であ
り、プラズマの形状や温度分布を自由に制御することの
できる、新しいレーザ熱プラズマ方法を提供することを
目的としている。The present invention has been made in view of the above circumstances, solves the drawbacks of the conventional plasma technology, mixes the electrode constituent material into the plasma, discharge electrode wear and discharge electrode surface. The purpose of the present invention is to provide a new laser thermal plasma method capable of avoiding changes in the plasma state due to the deposition of elements on the surface or the skin effect, and being able to freely control the shape and temperature distribution of the plasma. There is.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、放電によって生成させたガスプ
ラズマに収束したレーザを照射し、このレーザと同軸方
向のガス流空間に、前記プラズマとは独立したレーザ熱
プラズマを生成させることを特徴とするレーザ熱プラズ
マ方法を提供する。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention irradiates a gas plasma generated by an electric discharge with a converged laser, and the plasma is provided in a gas flow space coaxial with the laser. A laser thermal plasma method is provided which is characterized in that a laser thermal plasma independent of the above is generated.
【０００８】そしてこの発明は、上記のレーザ熱プラズ
マを材料の合成や加工に利用する方法をも提供する。The present invention also provides a method of utilizing the above laser thermal plasma for the synthesis and processing of materials.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】この発明は、上記の通りの新しい
レーザ熱プラズマ方法を提供するものであるが、この発
明の方法は、レーザ光と蒸発粒子および雰囲気ガスとの
相互作用により形成されるレーザ誘起プラズマの現象解
析を行っている過程で、従来のレーザ加工にとって重要
な研究課題にもかかわらず、時間的な変動が激しく、発
光分光法などによる計測が困難であったレーザ誘起プラ
ズマを安定して形成する方法を模索し、その結果として
完成されたものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention provides a new laser thermal plasma method as described above. The method of the present invention is formed by the interaction of laser light with vaporized particles and atmospheric gas. In the process of analyzing the phenomena of laser-induced plasma, laser-induced plasma, which was difficult to measure by emission spectroscopy, etc. It was completed as a result of searching for a method of forming.
【００１０】この方法によって、たとえば非平衡材料な
どの創製をも可能とする新しい材料合成プロセスとして
の発展も可能になる。この発明においては、まず、放電
によって生成させるガスプラズマを得る手段としては、
たとえばアーク放電などを用いることができ、生成させ
たガス熱プラズマは、その放電を停止しても、レーザビ
ームを照射する限り、安定して持続する。This method also enables development as a new material synthesis process that enables creation of non-equilibrium materials, for example. In the present invention, first, as means for obtaining gas plasma generated by electric discharge,
For example, arc discharge or the like can be used, and the generated gas thermal plasma continues stably even if the discharge is stopped as long as it is irradiated with a laser beam.
【００１１】この発明において使用するプラズマ生成の
ためのガスとしては、アルゴンガス、アルゴン−ヘリウ
ム混合ガス、窒素ガスなどを用いることができ、また、
これらのプラズマ生成ガスとともに、材料の合成、加工
等のための反応性ガスを用いることができる。たとえ
ば、反応性ガスとしては、酸素、酸素化合物、窒素、窒
素化合物、硫黄化合物、ハロゲン化合物、炭化水素その
他の有機化合物、有機金属化合物等のガスが用いられ
る。As the plasma generating gas used in the present invention, argon gas, argon-helium mixed gas, nitrogen gas, etc. can be used.
A reactive gas for synthesizing materials, processing, etc. can be used together with these plasma generating gases. For example, as the reactive gas, gases such as oxygen, oxygen compounds, nitrogen, nitrogen compounds, sulfur compounds, halogen compounds, hydrocarbons and other organic compounds, and organic metal compounds are used.
【００１２】レーザとしては、大出力のものが好ましく
使用され、たとえば大出力・赤外レーザが好適に使用さ
れる。レーザ熱プラズマの生成については、上記の通
り、放電により生成させたガスプラズマに、収束したレ
ーザを照射し、レーザと同軸方向のガス流空間に、安定
したレーザ熱プラズマを生成させることを特徴としてい
る。As the laser, a high power laser is preferably used, and for example, a high power infrared laser is preferably used. Regarding the generation of the laser thermal plasma, as described above, the gas plasma generated by the discharge is irradiated with a converged laser, and the stable laser thermal plasma is generated in the gas flow space in the direction coaxial with the laser. There is.
【００１３】つまり、この発明では、たとえばアーク放
電を用いる場合でも、その放電により生成させたプラズ
マとは独立した空間域に、安定した熱プラズマを独立し
て生成させる。このため、たとえばアーク放電特有の極
構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消耗や放電
電極表面への元素の堆積によるプラズマ状態の変化を回
避することが可能となる。That is, according to the present invention, even when arc discharge is used, for example, stable thermal plasma is independently generated in a space region independent of the plasma generated by the discharge. For this reason, it is possible to avoid a change in the plasma state due to, for example, the mixing of the electrode-specific material peculiar to arc discharge into the plasma, the consumption of the discharge electrode, and the deposition of elements on the surface of the discharge electrode.
【００１４】また、この発明においては、レーザが照射
されているプラズマ中心部で温度が高く、周囲に向かう
ほど温度が低下し、またその温度分布やプラズマ形状
は、レーザの出力、レーザ照射方法およびプラズマ生成
ガスの流量とにより制御することができる。表皮効果を
原因とするプラズマの温度分布に関する高周波放電の問
題点をも解決することができる。Further, according to the present invention, the temperature is high at the center of the plasma irradiated with the laser, and the temperature decreases toward the surroundings, and the temperature distribution and plasma shape are the laser output, the laser irradiation method, and the laser irradiation method. It can be controlled by the flow rate of the plasma generating gas. It is also possible to solve the problem of high-frequency discharge related to the temperature distribution of plasma due to the skin effect.
【００１５】以下実施例を示し、さらに詳しくこの発明
の実施の形態について説明する。Examples will be shown below to describe the embodiments of the present invention in more detail.
【００１６】[0016]
【実施例】図１は、この発明のレーザ熱プラズマの生成
について例示したものであって、収束レンズ（１）によ
ってレーザ（２）を放電電極（８）付近に収束させる。
プラズマ生成ガス導入口（３）からはプラズマ生成ガス
をレーザに向かって導入し、ノズル（４）からレーザ
（２）と同軸方向にプラズマ生成ガス（５）を流す。そ
して、あらかじめ放電電極（８）間で生成させたプラズ
マ（７）に対して、収束レンズ（１）により収光したレ
ーザ（２）を照射する。1 shows an example of the generation of laser thermal plasma according to the present invention, in which a laser (2) is focused near a discharge electrode (8) by a focusing lens (1).
The plasma generation gas is introduced from the plasma generation gas introduction port (3) toward the laser, and the plasma generation gas (5) is flown from the nozzle (4) in the direction coaxial with the laser (2). Then, the plasma (7) generated between the discharge electrodes (8) in advance is irradiated with the laser (2) focused by the converging lens (1).
【００１７】プラズマ生成ガスの流量とレーザ出力とを
制御することにより、放電電極（８）の上方にレーザ熱
プラズマ（６）が安定して独立に生成される。このプラ
ズマは放電電極（８）間の放電を停止して電極間のプラ
ズマ（７）を消滅させた後においても、レーザ（２）を
照射している限り、持続する。そして、生成されたレー
ザ熱プラズマ（６）は、収束レーザ（２）とこれと同軸
上のプラズマ生成ガス（５）の流れの移動、たとえば水
平方向、上下方向への移動にともなって移動し、適宜な
位置において安定したレーザ熱プラズマとして材料合成
や材料加工に使用することができる。By controlling the flow rate of the plasma generating gas and the laser output, the laser thermal plasma (6) is stably and independently generated above the discharge electrode (8). This plasma continues even after the discharge between the discharge electrodes (8) is stopped and the plasma (7) between the electrodes is extinguished as long as the laser (2) is irradiated. Then, the generated laser thermal plasma (6) moves along with the movement of the converged laser (2) and the flow of the plasma generation gas (5) coaxial with this, for example, the movement in the horizontal direction and the vertical direction, It can be used as a stable laser thermal plasma at an appropriate position for material synthesis and material processing.
【００１８】当然、この場合にも、プラズマ生成ガス
（５）とともに反応性ガスを流すことができ、また、プ
ラズマ生成ガス（５）の流れとは別に雰囲気として反応
性ガスを供給することもできる。このような様々な態様
によって、たとえば薄膜形成、表面加工、粉体形成等の
材料の合成・加工が可能となる。Of course, also in this case, the reactive gas can be caused to flow together with the plasma generating gas (5), or the reactive gas can be supplied as an atmosphere separately from the flow of the plasma generating gas (5). . With such various aspects, it is possible to synthesize and process materials such as thin film formation, surface processing, and powder formation.
【００１９】実際に、プラズマ生成ガスとしてアルゴン
ガスを、レーザとして炭酸ガスレーザを用い、直径１０
ｍｍのガスノズルから、レーザと同軸方向に毎分１５リ
ットルでアルゴンガスを噴出させ、アルゴン雰囲気下
で、アーク放電により形成したアークプラズマの中心
に、収束した炭酸ガスレーザ光を照射した。その結果、
レーザ出力が１ｋＷ以上の領域で、放電電極の約５０ｍ
ｍ上方のレーザ軸上に、安定した独立のレーザ熱プラズ
マが生成された。このレーザ熱プラズマは、アーク放電
を停止しても、レーザビームを照射する限り、安定して
持続した。Actually, an argon gas was used as the plasma generating gas, and a carbon dioxide gas laser was used as the laser.
Argon gas was ejected from the gas nozzle of mm at a rate of 15 liters per minute in the direction coaxial with the laser, and the center of the arc plasma formed by arc discharge was irradiated with converged carbon dioxide laser light in an argon atmosphere. as a result,
When the laser output is 1 kW or more, the discharge electrode is about 50 m
A stable, independent laser thermal plasma was generated on the laser axis above m. This laser thermal plasma continued stably even if the arc discharge was stopped as long as it was irradiated with the laser beam.
【００２０】また、出力３．５ｋＷの炭酸ガスレーザを
用い、アルゴン流量２０ｌ／ｍｉｎ（ガスノズル１０ｍ
ｍ径）についても同様にレーザ熱プラズマを生成させ
た。図２は、（ａ）銅板とＴＩＧＬ−４とからなる電極
による放電アークプラズマのみの生成、（ｂ）レーザ照
射によるレーザ熱プラズマの生成、（ｃ）アーク放電停
止後のレーザ熱プラズマの生成、持続の状態を示してい
る。A carbon dioxide gas laser having an output of 3.5 kW was used, and an argon flow rate was 20 l / min (gas nozzle 10 m
Similarly, laser thermal plasma was generated for the (m diameter). FIG. 2 shows (a) generation of only discharge arc plasma by an electrode composed of a copper plate and TIGL-4, (b) generation of laser thermal plasma by laser irradiation, (c) generation of laser thermal plasma after arc discharge is stopped, Shows the state of persistence.
【００２１】次に、プラズマ生成ガスに窒素を用い、前
記の同一の方法で、レーザ熱プラズマを生成させた。こ
の場合、プラズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レ
ーザ出力が２ｋＷ以上において、安定したレーザ熱プラ
ズマが生成された。このレーザ熱プラズマの場合も、ア
ーク放電を停止しても、レーザビームを照射する限り、
安定して持続した。Next, laser thermal plasma was generated by the same method as described above using nitrogen as the plasma generating gas. In this case, stable laser thermal plasma was generated at a plasma generation gas flow rate of 10 liters per minute and a laser output of 2 kW or more. In the case of this laser thermal plasma, even if the arc discharge is stopped, as long as the laser beam is irradiated,
Stable and sustained.
【００２２】最後に、プラズマ生成ガスとして、混合比
５０対５０のアルゴン−ヘリウムを用い、前記と同一の
方法で、レーザ熱プラズマを生成させた。この場合、プ
ラズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レーザ出力が
３ｋＷ以上において安定したレーザ熱プラズマが生成さ
れた。レーザ熱プラズマは、アーク放電を停止しても、
レーザビームを照射する限り、安定して持続した。Finally, laser-thermal plasma was generated by the same method as described above using argon-helium with a mixing ratio of 50:50 as the plasma generating gas. In this case, stable laser thermal plasma was generated when the flow rate of the plasma generating gas was 10 liters / min and the laser output was 3 kW or more. Laser thermal plasma, even if the arc discharge is stopped,
It remained stable as long as it was irradiated with a laser beam.
【００２３】[0023]
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消
耗や放電電極表面への他の元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、および、表皮効果を回避することが可能とな
り、さらには、プラズマの形状および温度分布を自由に
制御することをも可能となる。As described in detail above, according to the present invention, the change of the plasma state due to the mixing of the electrode forming material into the plasma, the consumption of the discharge electrode and the deposition of other elements on the surface of the discharge electrode, and the skin effect. It is possible to avoid this, and it is also possible to freely control the shape and temperature distribution of plasma.
【００２４】新材料の創製における材料合成や加工のた
めの新しい手段が提供される。New means are provided for material synthesis and processing in the creation of new materials.
【図１】この発明の方法の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of the method of the present invention.
【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、アークプラズマとレー
ザ熱プラズマの生成、持続の状態を示した図面に代わる
写真である。2 (a), (b) and (c) are photographs replaced with drawings showing a state of generation and continuation of arc plasma and laser thermal plasma.
１ 収束レンズ ２ レーザ ３ プラズマ生成ガス導入口 ４ ガスノズル ５ プラズマ生成ガス ６ レーザ熱プラズマ ７ プラズマ ８ 放電電極 1 Converging lens 2 Laser 3 Plasma generation gas inlet 4 Gas nozzle 5 Plasma generation gas 6 Laser thermal plasma 7 Plasma 8 Discharge electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 入江 宏定 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所筑波支所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Hirosada Irie 1-2-1 Sengen, Tsukuba-shi, Ibaraki Tsukuba Branch, Institute for Materials Research, Agency for Science and Technology
Claims (3)
収束したレーザを照射し、このレーザと同軸方向のガス
流空間に、前記プラズマとは独立したレーザ熱プラズマ
を生成させることを特徴とするレーザ熱プラズマ方法。1. A laser heat generating method comprising: irradiating a converged laser on a gas plasma generated by an electric discharge to generate a laser thermal plasma independent of the plasma in a gas flow space coaxial with the laser. Plasma method.
て、レーザ熱プラズマの生成後に、レーザを照射したま
ま放電を停止するレーザ熱プラズマ方法。2. The laser thermal plasma method according to claim 1, wherein after the laser thermal plasma is generated, the discharge is stopped while the laser is being irradiated.
より材料合成または材料加工を行うことを特徴とするレ
ーザ熱プラズマ方法。3. A laser thermal plasma method, wherein material synthesis or material processing is performed by the laser thermal plasma according to claim 1.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Patent Citations (1)
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